Une percée japonaise dépasse la limite théorique des cellules solaires

Des chercheurs de l’Université de Kyushu au Japon ont démontré une méthode permettant de générer plus d’énergie que le nombre de photons absorbés, atteignant un rendement quantique de 130%. L’avancée contourne la limite physique de Shockley-Queisser qui plafonne depuis des décennies l’efficacité des panneaux solaires conventionnels.

La physique des cellules photovoltaïques vient de franchir une barrière que beaucoup considéraient comme infranchissable. Dans les laboratoires de l’Université de Kyushu, une équipe de scientifiques a réussi à extraire davantage de porteurs d’énergie que le nombre de photons absorbés, réalisant l’exploit de dépasser la limite théorique qui contraignait jusqu’alors l’efficacité des panneaux solaires.

Le mur de Shockley-Queisser enfin percé

Depuis les travaux de William Shockley et Hans-Joachim Queisser en 1961, la communauté scientifique admettait qu’une cellule solaire ne pouvait convertir qu’une fraction limitée de l’énergie solaire. Ce plafond théorique, établi à environ 33% pour les cellules à jonction unique, reposait sur un principe simple : chaque photon absorbé ne peut exciter qu’un seul électron au maximum. Les photons infrarouges, trop faibles en énergie, ne parviennent pas à arracher d’électrons, tandis que les photons plus énergétiques dissipent leur surplus sous forme de chaleur.

La contrainte fondamentale explique pourquoi les panneaux solaires commerciaux actuels affichent des rendements compris entre 15% et 22%. Malgré les progrès constants des matériaux et des architectures, cette barrière semblait indépassable pour les technologies conventionnelles.

La fission de singulet, un phénomène quantique exploité

L’équipe japonaise, en collaboration avec des chercheurs de l’Université Johannes Gutenberg de Mayence, s’est tournée vers un processus mécanique quantique méconnu : la fission de singulet. Ce phénomène permet à un exciton de haute énergie – une paire électron-trou liée – de se scinder en deux excitons triplets de plus faible énergie.

Certains matériaux organiques, comme le tétracène, présentent cette propriété, mais la difficulté résidait dans la capture des excitons multipliés avant qu’ils ne perdent leur énergie. « Nous avions besoin d’un accepteur d’énergie qui capture sélectivement les excitons triplets multipliés après la fission », explique Yoichi Sasaki, professeur associé à la Faculté d’ingénierie de l’Université de Kyushu.

Le complexe de molybdène, un récepteur sur mesure

La solution est venue d’un complexe métallique à base de molybdène, qualifié d’émetteur à « renversement de spin ». La molécule présente la particularité de voir un électron inverser son spin lors de l’absorption ou de l’émission de lumière proche infrarouge, ce qui en fait un récepteur idéal pour l’énergie triplet générée par la fission de singulet.

En ajustant avec précision les niveaux d’énergie du système, les chercheurs ont réussi à supprimer le transfert d’énergie parasite et à extraire sélectivement les excitons multipliés. Couplé à des matériaux à base de tétracène en solution, ce système a atteint un rendement quantique d’environ 130%, signifiant que 1,3 complexe de molybdène était excité pour chaque photon absorbé.

La collaboration internationale trouve son origine dans l’initiative d’Adrian Sauer, un étudiant en échange de Mayence, qui a introduit dans le laboratoire de Kyushu des matériaux longuement étudiés par son institution d’origine.

Un chemin encore long vers l’industrialisation

Les chercheurs tempèrent cependant l’enthousiasme que pourrait susciter cette découverte. Les expériences ont été menées en solution, dans des conditions de laboratoire contrôlées. La prochaine étape, autrement plus complexe, consistera à transposer ce système à l’état solide pour envisager une intégration dans des cellules photovoltaïques fonctionnelles.

Le passage du laboratoire à la production industrielle représente un défi considérable, tant sur le plan technique qu’économique. La stabilité des matériaux, leur durée de vie, leur coût de fabrication et leur compatibilité avec les procédés industriels existants devront être évalués.

Au-delà du photovoltaïque, l’équipe entrevoit des applications potentielles dans d’autres domaines technologiques. Les LED pourraient bénéficier de l’avancée, tout comme certaines technologies quantiques en développement.